熱機都是利用熱脹冷縮的原理工作的，這幾乎是把熱能轉化成機械能的唯一方法。固體和液體雖然也存在熱脹冷縮的現象，但它們的體積隨溫度變化很小，很難利用，所以實用的熱機都是利用氣體工作的。蒸汽機中也會存在液態的水，但必須有蒸汽的存在，僅僅是加熱的水是沒辦法對外做功的。
氣體的內能是分子熱運動的動能，熱運動速度與聲速相當，所以這個能量是相當巨大的。不過分子們朝向四面八方運動，形不成合力。
要想讓分子齊心協力做功，就要讓氣體整體朝某方向運動，這只能通過膨脹來實現。一個容器中裝有氣體，放開某個方向的限制，氣體就會朝這個方向運動，輸出機械功，內能降低。
從力學角度來看，膨脹做功是個勢能轉化為動能的過程。我們學習勢能和動能轉化的時候，最常舉的例子是自由落體和彈簧壓縮。弓箭也是典型的勢能轉化為動能的裝置，拉弓所做的功主要儲存在弓背中。鬆開弦後，彈性力做功把箭發射出去。過程中弓會發熱，箭所獲得的機械能總是小於人拉弓所做的功。
如果有辦法在弓拉滿的時候保持住位置的同時增加弓背的彈性模量，就可以有更大的彈性力把箭射出去，使箭獲得的機械能大於人拉弓所做的功。這聽起來有點像永動機，真有這種辦法嗎？
答案是有辦法，也不違反熱力學定律，因為這需要額外輸入功或者熱。下圖表示了用氣體作為彈性介質的一種弓的設想，不妨稱之為「氣弓」。如果在拉滿弓的時候給氣缸加熱，氣體溫度上升，彈性模量就增大。當箭發射時，一部分能量來自加熱提供的熱能，箭獲得的動能就可以明顯大於拉弓所做的功，這樣的弓可以稱為「火弓」。
實用的熱機都是連續工作的，通過某種循環來不斷地把熱能轉化為機械功輸出。「火弓」通過壓縮→加熱→膨脹實現了單次機械功輸出，如果把箭換為連杆和飛輪，用飛輪的慣性帶動連杆重新壓縮氣缸，就可以連續工作了嗎？
答案是不行。因為膨脹後氣體剩餘的溫度還是高於壓縮前，對應的彈性模量大，壓縮它需要的功比之前冷態壓縮那一次要高。因此，即使一開始拉弓給予了很大的能量，也會在幾次循環後就耗盡，使整個運動停下來。
所以，需要把氣缸裡的氣體冷卻後再壓縮才行。這個冷卻環節白白地損失掉了一些能量，這也是熱機的效率都不高的原因。更麻煩的是氣體很難冷卻那麼快，實用的熱機通常採取把熱氣排掉，重新吸入冷氣的工作方式。